R-06-04. Kapsel för använt kärnbränsle. Svetsning vid tillverkning och förslutning. Svensk Kärnbränslehantering AB. September 2006

R-06-04 Kapsel för använt kärnbränsle Svetsning vid tillverkning och förslutning Svensk Kärnbränslehantering AB September 2006 Svensk Kärnbränslehantering AB Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co Box 5864 SE-102 40 Stockholm Sweden Tel 08-459 84 00 +46 8 459 84 00 Fax 08-661 57 19 +46 8 661 57 19

ISSN 1402-3091 SKB Rapport R-06-04 Kapsel för använt kärnbränsle Svetsning vid tillverkning och förslutning Svensk Kärnbränslehantering AB September 2006 En pdf-version av rapporten kan laddas ner från www.skb.se

Förord Svensk Kärnbränslehantering AB, SKB, ansvarar för att det radioaktiva avfallet från de svenska kärnkraftverken hanteras på ett sätt som är säkert både för människa och miljö. SKB:s anläggningar SFR, Slutförvar för radioaktivt driftavfall och Clab, Centralt mellanlager för använt kärnbränsle, är i drift medan inkapslingsanläggningen och slutförvaret ännu inte har uppförts. I slutförvaret kommer det använda kärnbränslet att vara placerat i kemiskt beständiga kapslar bestående av en yttre korrosionsbarriär av koppar och en bärande insats av segjärn. Kapslarna har till uppgift att isolera det använda kärnbränslet från omgivningen. Det produktionssystem för att tillverka och försluta kapslarna som SKB utvecklar omfattar hela kedjan från framställning av koppar- och segjärnsgöt för tillverkning av kapselkomponenterna till en färdig och försluten kapsel. Denna rapport redovisar svetsprocessen vid förslutning av kapseln och är en del av den preliminära tekniska dokumentationen för kapseln. Redovisningen utgör det första etappmålet i SKB:s program för kvalificering av tillverkning och förslutning av kapseln för använt kärnbränsle. Dokumentationen har utarbetats inom ramen för ett projekt (Dokap) med syfte att i sammanhållen form redovisa hur kapselns långsiktiga säkerhet säkerställs genom den utvecklade konstruktionen och de system och processer som utvecklats för tillverkning och förslutning av kopparkapseln. Många författare, inom och utom SKB, har bidragit till den preliminära tekniska dokumentationen: Huvudrapport: redaktör Karin Pers (Kemakta Konsult AB) Program för kvalificering av tillverkning och förslutning: Håkan Rydén (SKB) Konstruktionsförutsättningar: Håkan Rydén (SKB), Lars Werme (SKB), Peter Eriksson (SKB) Tillverkning av kapselkomponenter: Nina Leskinen (SKB), Peter Eriksson (SKB), Martin Burström (MABU Consulting) Svetsning vid tillverkning och förslutning: Lars Cederqvist (SKB), Sören Claesson (Bodycote Materials Testing) Oförstörande provning av kapselkomponenter: Göran Emilsson (Bodycote Materials Testing) Oförstörande provning av svetsar: Ulf Ronneteg (Bodycote Materials Testing) 2006-09-22 Håkan Rydén Enhetschef Inkapslingsteknik

Sammanfattning Som ett första etappmål i SKB:s program för kvalificering av tillverkning och förslutning av kapseln för använt kärnbränsle görs en sammanhållen redovisning av förutsättningar och metoder för att producera kapseln. I redovisningen ingår kapselns konstruktionsförutsättningar och preliminära beskrivningar av de referensmetoder och processer som SKB tagit fram för tillverkning och förslutning av kapseln. Denna rapport beskriver den process som utvecklats för svetsning av lock och rör i fem centimeter tjock koppar. Arbetet med att utveckla en lämplig svetsprocess för förslutning av kopparkapslarna har bedrivits vid Kapsellaboratoriet i Oskarshamn. Utvecklingsarbetets mål är att få fram en process som uppfyller de tekniska förutsättningarna angivna i konstruktionsförutsättningarna för kapseln och som uppfyller de krav som ställs av Inkapslingsanläggningen och slutförvaret. SKB:s referenskapsel har ett kopparhölje bestående av tre komponenter, rör, lock och en botten som svetsas samman till ett integrerat hölje. Svetsning av lock och botten är likartade processer som dock sker under olika betingelser. I inkapslingsanläggningen där kapseln försluts svetsas locket till en kapsel innehållande radioaktivt bränsle vilket kräver säkerhetsarrangemang och fjärrstyrning av processen medan bottensvetsen utförs i normal verkstadsmiljö i den kapselfabrik som planeras i SKB:s referensalternativ för tillverkning av kapslar. Två olika svetsmetoder har utvecklats vid Kapsellaboratoriet, friktionssvetsning (Friction Stir Welding, FSW) och elektronstrålesvetsning (Electron Beam Welding, EBW). Som referensmetod inför ansökan enligt kärntekniklagen om Clab och inkapslingsanläggning har SKB valt FSW. Därmed har fokus lagts på FSW för svetsning vid tillverkning och förslutning av kapslar. Båda metoderna kommer att utvecklas vidare för att SKB, om möjligt, ska kunna ha två metoder som uppfyller kraven för svetsning i produktion. Ett omfattande provprogram har utförts på Kapsellaboratoriet för att testa svetssystemens och svetsprocessernas prestanda med fokus på kapacitet, tillgänglighet, tillförlitlighet och egenskaper i svetsgodset. I provprogrammet har bland annat parameterstudier, fullskalesvetsning och seriesvetsning utförts. Samtliga svetsprov har undersökts med oförstörande provning, oftast både före och efter bearbetning. Många svetsprov är också undersökta med förstörande provning för att kartlägga struktur och materialegenskaper i svetsgodset. Resultaten från provningen har jämförts med ställda krav. SKB har visat att metoden FSW med största sannolikhet kan uppfylla alla krav i den framtida produktionen. Det som främst återstår att utveckla är en anpassning av systemet till kärnteknisk verksamhet med strålskärmning samt att automatisera processen.

Innehåll 1 Inledning 9 1.1 Denna rapport 12 2 Strategi och arbetssätt 13 3 Förutsättningar och krav 15 3.1 Krav på svetsgodset 15 3.2 Krav på svetsprocessen och svetssystemet 16 3.3 Krav på inkommande komponenter 16 4 Svetsning 17 4.1 Historik 17 4.2 Friction stir welding 18 4.2.1 Svetsprocessen 18 4.2.2 Svetssystemet 20 4.3 Elektronstrålesvetsning 21 4.3.1 Svetsprocessen 22 4.3.2 Svetssystemet 22 5 Resultat och erfarenheter 25 5.1 FSW 25 5.1.1 Svetsprocessen 26 5.1.2 Svetssystemet 27 5.1.3 Svetsgodsets materialegenskaper 27 5.1.4 Observerade diskontinuiteter 28 5.1.5 Forskning 29 5.2 EBW 29 5.2.1 Svetsprocessen 29 5.2.2 Svetssystemet 30 5.2.3 Svetsgodsets materialegenskaper 30 5.2.4 Observerade diskontinuiteter 32 5.2.5 Fortsatt utveckling 32 6 Val av referensmetod 33 6.1 Kriterier för utvärdering av svetsmetoderna 33 6.2 Utvärdering av svetsmetoderna 34 6.2.1 Svetssystem 34 6.2.2 Svetsprocess 34 6.2.3 Svetsgods 34 6.2.4 Parameterstudie 34 6.2.5 Fullskalesvetsning 35 6.2.6 Seriesvetsning 35 6.3 Sammanfattande resultat 35 7 Kommentarer till ställda krav 37 7.1 Uppföljning av krav på svetsgodset 37 7.2 Uppföljning av krav på svetsprocessen och svetssystemet 37 7.3 Uppföljning av krav på inkommande komponenter 38 7.4 Plan för kvalificering 38

8 Framtida handlingslinje 41 8.1 Svetsgods 41 8.2 Svetsprocessen och svetssystemet 41 9 Referenser 43 Förkortningar 45 Bilaga 1 Diskontinuiteter vid FSW 47 Bilaga 2 Ritning på FSW-system för bottensvets 55

1 Inledning Slutförvaret för använt kärnbränsle enligt KBS-3-metoden utformas för långsiktig säker förvaring. Metoden innebär att det använda kärnbränslet kapslas in i lastbärande och vattentäta kapslar. Kapslarna deponeras i kristallint berg på 400 700 meters djup och omges av en buffert som hindrar vattenflöde och skyddar kapseln. Efter deponering återfylls de bergrum som krävs för deponeringen. I slutförvaret har kapseln till uppgift att isolera det använda kärnbränslet från omgivningen. SKB:s referensutformning för kapseln består av en yttre korrosionsbarriär av koppar och en lastbärande insats av segjärn. Kapseln har en diameter på drygt en meter och den är nästan fem meter lång, se figur 1-1. Fylld med BWR-element väger den 25 ton och fylld med PWR-element 27 ton. Kapseln utformas och dimensioneras för att motstå de belastningar den förväntas bli utsatt för i slutförvaret. Den ska också kunna tillverkas, hanteras, transporteras och deponeras i slutförvaret på ett säkert sätt. För att genomföra deponering och tillverkning av kapslar krävs, förutom anläggningar för geologisk slutförvaring och inkapsling av bränslet, ett system för tillverkning av kapslar. Utvecklingen av detta system utgår från teknik som har förutsättningar att uppfylla specifikationer avseende kapselns utformning, material och kvalitet. 1 050 mm 4 835 mm 5 cm koppar Beräknad vikt (kg): Kopparkapsel 7 400 Insats 13 600 Bränsleelement (BWR) 3 600 Totalt 24 600 Figur 1 1. Kapsel för använt kärnbränsle. Kapseln består av ett ytterhölje av koppar och en insats av segjärn för BWR-element.

Inför en framtida driftssituation ställs krav på kvalificering av leverantörer, system och processer som kommer att ingå i produktionssystemet. Kraven som ställs är spårbara till myndighetskrav och SKB:s kvalitets- och miljöledningssystem för kapseltillverkning. Programmet för kvalificering av tillverkning och förslutning /SKB 2006f/ beskriver det långsiktiga arbetet med att bygga upp förutsättningar för att genomföra kvalificeringar. Det första etappmålet i programmet, år 2006, är att presentera den preliminära tekniska dokumentationen av systemet för tillverkning och förslutning av kapslar. Den preliminära tekniska dokumentationen har utarbetats inom ramen för ett projekt med syfte att i sammanhållen form redovisa hur kapselns långsiktiga säkerhet säkerställs genom den utvecklade konstruktionen och de system och processer som utvecklats för tillverkning och förslutning av kopparkapseln. Den preliminära dokumentationen omfattar beskrivningar av SKB:s referensutformning av produktionssystemet för tillverkning och förslutning av kapseln. Referensutformningen omfattar de metoder, system och processer som i dagsläget bedöms kunna användas för att producera kapslar som uppfyller ställda krav. SKB bedriver i flera fall utveckling av kompletterande eller alternativa metoder som också kan bli aktuella i framtiden. Referensutformningen av produktionssystemet, se figur 1-2, omfattar: Leverantörer som tillverkar koppargöt. Leverantörer som tillverkar kapselns kopparkomponenter kopparrör, kopparlock och kopparbotten. Gjuterier som tillverkar insatser i segjärn. En kapselfabrik där svetsning av kopparbotten, slutbearbetning, kontroll och montering av kapseln sker. En inkapslingsanläggningen där förslutning och kontroll av svetsen görs. Tillverkningsmetoderna i referensutformningen är: Gjutning av insatsen i segjärn. Gjutning av koppargöt. Extrusion av kopparrör. Smidning av kopparlock och kopparbotten. Svetsning av botten med friction stir welding (FSW). Förslutning av kapseln med FSW. Dokumentationen, se figur 1-3, från projektet omfattar en sammanfattande huvudrapport och sex underlagsrapporter. Huvudrapporten /SKB 2006a/ beskriver de övergripande sammanhangen och logiken i dokumentationen och underlagsrapporterna omfattar: Förutsättningar för den preliminära tekniska dokumentationen Konstruktionsförutsättningarna /SKB 2006b/ redovisar de krav som ställs på kapseln samt dess utformning och är en utgångspunkt för utformningen av produktionssystemet för kapslar. Program för kvalificering /SKB 2006f/ anger förutsättningar för och identifierar mål och milstolpar för implementering och kvalificering av produktionssystemet. 10

Leverantörer Kapselfabrik Inkapslingsanläggning Delsystem insats Stålkassett Insats Tillverkning Färdigbearbetning Stållock Måttkontroll Tillverkning Oförstörande provning Insats Gjutning Koppargöt Gjutning Delsystem koppar Kopparkomponenter Färdigbearbetning Montering av kapsel Delsystem förslutning Förslutningssvets Svetsning med FSW Måttkontroll Färdigbearbetning Oförstörande provning Oförstörande provning Kopparkomponenter Extrusion av rör Smidning av lock och botten Bottensvets Svetsning med FSW Färdigbearbetning Oförstörande provning Figur 1 2. Referensutformning av produktionssystemet för tillverkning och förslutning av kapslar. Preliminär teknisk dokumentation Beskrivning av tillverkningsmetoder i produktionssystemet, kvalitets- och miljöledningssystem för kapseltillverkning samt kapselfabriken /SKB 2006c/. Beskrivning av svetstekniken vid förslutning av kapseln och svetsning av kopparbottnen samt bakgrunden till valet av referensmetod för svetsning (denna rapport). Beskrivning av provningstekniken för kvalitetskontroll av kapselns komponenter /SKB 2006d/. Beskrivning av provningstekniken för kvalitetskontroll av förslutnings- och bottensvetsen /SKB 2006e/. Redovisningen av den preliminära tekniska dokumentationen har följande struktur: Identifikation av krav som ställs på system och processer. Viktiga krav härleds från konstruktionsförutsättningarna och kvalificeringsprogrammet. Tekniska beskrivningar av system och processer. Utvärdering av om de ställda kraven är uppfyllda. Presentation av handlingslinjer för att uppfylla krav och förutsättningar. 11

Huvudrapport Kapsel för använt kärnbränsle Tillverkning och förslutning R-06-01 Förutsättningar för preliminär teknisk dokumentation Kapsel för använt kärnbränsle Konstruktionsförutsättningar R-06-02 Kapsel för använt kärnbränsle Program för kvalificering av tillverkning och förslutning R-06-07 Preliminär teknisk dokumentation Kapsel för använt kärnbränsle Tillverkning av kapselkomponenter R-06-03 Kapsel för använt kärnbränsle Oförstörande provning av kapselkomponenter R-06-05 Kapsel för använt kärnbränsle Svetsning vid tillverkning och förslutning R-06-04 Kapsel för använt kärnbränsle Oförstörande provning av svetsar R-06-06 Figur 1 3. Rapporter i redovisningen. 1.1 Denna rapport I denna rapport redovisas processerna för svetsning av kopparbotten till röret samt förslutningssvetsning av kopparlocket. För närvarande utvecklas två alternativa svetsmetoder; friction stir welding (FSW) och elektronstrålesvetsning (EBW) vid Kapsellaboratoriet i Oskarshamn. Som referensmetod inför ansökan enligt kärntekniklagen om Clab och inkapslingsanläggning har SKB valt FSW. Detta innebär att SKB lagt fokus på att redovisa uppfyllande av satta krav för svetsning vid tillverkning och förslutning med FSW. Rapporten redovisar hur SKB tar hand om de krav som ställs på svetsningen enligt följande: 1. Presentera strategi och arbetssätt (kapitel 2). 2. Härleda och beskriva de krav som ställs på kopparkapselns svetsar samt på svetsprocessen och systemet (kapitel 3). 3. Visa hur kraven kan och kommer att kunna uppfyllas genom att: a Beskriva svetsprocesserna och svetssystemen som används vid Kapsellaboratoriet (kapitel 4). b Presentera resultat och erfarenheter från svetsförsök vid Kapsellaboratoriet (kapitel 5). c Beskriva val av referensmetod (kapitel 6). d Kommentera hur långt SKB kommit i utvecklingsarbetet med att uppfylla kraven för svetsning med referensmetoden (kapitel 7). e Beskriva framtida handlingslinjer för referensmetoden (kapitel 8). 12

2 Strategi och arbetssätt Kapsellaboratoriet utgör centrum för utveckling och demonstration av inkapslingstekniken. Verksamhetens huvudsakliga syfte är att utveckla och verifiera processerna som krävs för svetsning och oförstörande provning samt ta fram underlag för produktionsanpassning och integrering av procedurer och utrustningar för tillverkning och förslutning av kapseln. Processflödet i Kapsellaboratoriet är i princip utformat på samma sätt som planeras i Inkapslingsanläggningen, det vill säga arbetsstationer för uppriktning och montering av ingående komponenter, för svetsning samt för oförstörande provning (röntgen och ultraljudsprovning). Bearbetning av svetsade kapslar och provuttag har skett av externa leverantörer. För löpande utvärdering finns utrustningar för provberedning och undersökning av makroprov. Mer kvalificerade undersökningar av svetsgodsets materialegenskaper har utförts av ackrediterade laboratorier för att erhålla en opartisk, kvalificerad och dokumenterad utvärdering. Vid svetsning loggas svetsparametrarna och svetsförloppen videofilmas. Varje svetsning utvärderas och dokumenteras enligt etablerade rutiner. Svetssystemen har efter installationen fortlöpande vidareutvecklats, underhållits och kalibrerats för att generera svetsar av hög kvalitet. Erfarenheterna från svetssystemen i Kapsellaboratoriet har inarbetats i projekteringen av inkapslingsanläggningen. Huvudmomenten i arbetet kan beskrivas enligt följande: Testa, utveckla och produktionsanpassa svetsprocessen och svetssystemet. Verifiera uppfyllande av ställda krav på svetsprocessen, svetssystemet och svetsgodsets egenskaper. Ta fram underlag för kvalificering vid svetsning. 13

3 Förutsättningar och krav Referenskapselns kopparhölje består av ett rör, lock och botten. Svetsningen kommer i framtiden ske i två olika anläggningar, kopparbotten kommer att svetsas i kapselfabriken medan förslutningssvetsen görs i inkapslingsanläggningen. Svetsning av lock och botten är likartade processer. Den stora skillnaden är att i inkapslingsanläggningen då locket svetsas till kapseln, innehåller den radioaktivt bränsle, vilket kräver väsentligt större säkerhetsarrangemang och fjärrstyrning av processen. För att säkerställa att kapselns funktion i slutförvaret uppfylls, ställs det flera krav på kapselns svetsar. Dessa krav kommer från olika intressenter och kan delas in i krav på svetsgodset, och krav på svetsprocessen och svetssystemet. För att dessa krav ska uppfyllas ställer svetsprocessen i sin tur krav på de inkommande kapselkomponenterna. Kraven kommer primärt från konstruktionsförutsättningarna för kapseln samt från inkapslingsanläggningen och slutförvaret. Hur kraven för svetsning vid tillverkning och förslutning av kapseln tas om hand redovisas i kapitel 7. 3.1 Krav på svetsgodset Konstruktionsförutsättningarna (KFK) /SKB 2006b/ där kapselns funktion som barriär i slutförvaret behandlas, ställer krav på kopparkomponenterna som svetsgodset ska uppfylla, se tabell 3-1. Tabell 3-1. Krav på svetsgodset. Benämning Kemisk beständighet Mekanisk beständighet Hantering och tillverkning Krav Min 6 mm intakt koppartjocklek. Materialsammansättning: Kopparmaterial i kapseln ska uppfylla specifikation för ren koppar med låg syrehalt. Tillåtna föroreningshalter i färdig kopparkomponent/svetsgods: Cr < 30 ppm Co < 30 ppm Al < 30 ppm Ni < 30 ppm O < 30 ppm Mekaniska egenskaper hos koppar/svetsgods: Duktilitet: > 30 % Krypduktilitet: > 8 %, leder till krav på Kornstorlek: < 800 μm Tilläggskrav enligt KTS001 /SKB 2005b/: P = 30 100 ppm (krypduktilitet) S < 12 ppm (svavelutskiljning) Ska uppfylla krav på provningsbarhet med oförstörande provning av eventuella diskontinuiteter i godset. Speciellt avses ultraljuddämpning i materialet och ytfinhet. Specifikationer för mikrostruktur (t ex kornstorlek) och ytfinhet utreds. Kontroll med OFP, rengöring: Eventuella krav på ytfinhet är under utredning. 15

3.2 Krav på svetsprocessen och svetssystemet Kraven som ställs på svetsprocessen och -systemet redovisas i tabell 3-2. Ett övergripande krav är att arbetet med svetsning ska ta fram erforderliga underlag för att uppfylla innehållet i de milstolpar som är definierade i SKB:s tidsplan för kvalificering /SKB 2006f/. Tabell 3-2. Krav på system och processer vid svetsning. Teknik Kvalitet Tillförlitlighet Kapacitet och varaktighet Kärnteknisk tillämpning Uppfylla tillämpbara myndighetskrav Krav på system och processer Metoder och system för att försluta och kontrollera svetsarna ska finnas. Svetssystemet ska generera svetsar som uppfyller konstruktionsförutsättningarna. Svetsarna ska ha en kvalitet som gör att en kassationsfrekvens på mindre än 1 % av kapslarna erhålls. Tillförlitlighet och reproducerbarhet hos system och processer ska vara tillräckligt hög för att säkerställa säkerheten under drift och efter deponering. Utvecklingsmål: minst 99,9 % av levererade kapslar ska uppfylla kvalitetskraven. Delsystemet ska möte slutförvarssystemets krav om deponering av 1 kapsel per dag under lång tid, minst 60 år (konstruktionsförutsättning för inkapslingsanläggningen). Svetssystemet i inkapslingsanläggningen ska vara anpassat för att arbeta i radioaktiv miljö, med strålskärmade väggar och fjärrmanövrerad styrning. Processer och system ska kvalificeras enligt SKB:s kvalitets- och miljöledningssystem för kapseltillverkning /SKB 2005b/ vari tillämpbara myndighetskrav kommer att ingå. 3.3 Krav på inkommande komponenter För att kunna uppfylla kraven i avsnitten 3.1 och 3.2 ställer svetsprocessen följande krav på inkommande komponenter, se tabell 3-3. Tabell 3-3. Krav på inkommande komponenter. Benämning Fogytor Material Diskontinuiteter Krav Fogytorna på kopparkomponenterna ska uppfylla angivna krav på ytfinhet. Inga skador som kan påverka svetsprocessen får finnas i fogområdet. Kopparkomponenterna ska uppfylla kravet på kemisk sammansättning enligt /SKB 2005b/. Krav på tillåten förekomst av diskontinuiteter i fogområdet på kopparkomponenter som ska svetsas måste fastställas för att kravet på svetskvalitén ska uppfyllas. 16

4 Svetsning Två metoder utvecklas för närvarande på Kapsellaboratoriet, friktionssvetsning (Friction Stir Welding, FSW) och elektronstrålesvetsning (Electron Beam Welding, EBW). 4.1 Historik När SKB 1982 började undersöka möjligheten att svetsa på locket till den då tio centimeter tjocka kopparkapseln identifierades EBW som den enda möjliga svetsmetoden. The Welding Institute (TWI) i Cambridge, England utvecklade i samarbete med SKB en teknik som med hjälp av en elektronstråle i reducerat tryck smältsvetsade samman lock och rör. Det koncept som utarbetades innebar att en roterande kapsel i stående läge svetsades med en horisontell elektronstråle. Kapselns väggtjocklek kunde senare reduceras till fem centimeter vilket öppnade möjligheten att även använda andra svetsmetoder. TWI tillverkade en prototypmaskin för svetsning med elektronstråle som levererades till Kapsellaboratoriet 1997 och installerades 1998. Prototypmaskinen togs i drift 1999 vilket innebar en start för utvecklingsarbetet med svetsning av kopparlock och kopparrör i full skala. Samtidigt hade en ny metod FSW för svetsning av huvudsakligen aluminiumlegeringar uppfunnits, patenterats och utvecklats av TWI. En fördel med FSW var att materialet svetsades samman utan att smälta. Efter inledande svetsprov av upp till fem centimeter tjocka kopparplattor på en modifierad fräsmaskin 1998, utvecklade SKB och TWI en enkel prototypmaskin för provsvetsningar av kopparringar på TWI. Proven var så lovande att SKB beställde en svetsmaskin för fullskaleprov av ESAB AB i Laxå vilken installerades 2003 på Kapsellaboratoriet. Ett tredje alternativ till svetsmetod är den teknik som utvecklas av Posiva i Finland, att med hjälp av en vertikal elektronstråle i vakuum smältsvetsa samman en roterande kopparkapsel och kopparlock i stående läge. Posiva har dock inte kommit så långt i sina försök att svetsmetodens förmåga kan bedömas än. Figur 4-1. FSW på Kapsellaboratoriet. Figur 4-2. EBW på Kapsellaboratoriet. 17

4.2 Friction stir welding Friction stir welding (FSW) som är en variant av friktionssvetsning uppfanns 1991 på TWI. FSW är en termomekanisk fasttillståndsprocess, d v s inte en smältsvetsmetod. Detta innebär att de materialförändringar som uppstår vid smältsvetsning såsom korntillväxt och segringsfenomen kan undvikas. Den resulterande strukturen vid FSW i koppar liknar den som fås vid varmformning av kapselns kopparkomponenter. I detta avsnitt ges en övergripande beskrivning av svetsprocessen och -systemet medan en mer detaljerad beskrivning finns i /SKB 2005a/. 4.2.1 Svetsprocessen Ett roterande verktyg bestående av en konisk tapp och en cylindrisk skuldra, se figur 4-3, pressas ner i svetsgodset. Tappens funktion är att genom friktion värma upp svetsgodset och genom sin form och rotation tvinga godset att flyta runt dess form och skapa en svets. Skuldrans funktion är att genom friktion värma upp godset och förhindra att detta pressas ur svetsen. Figur 4-4 visar när verktyget förflyttas längs fogen och bildar en svets. En anledning till att användandet av FSW inom industrin snabbt ökar är att metoden har få processparametrar vilket innebär att processen enkelt kan kontrolleras. Svetsverktyget roterar med ett specifikt antal varv per minut och förflyttar sig längs fogen med en konstant hastighet. Verktygsskuldrans position i relation till kapselytan kontrolleras sedan med en specifik nedåtriktad kraft. I de flesta fall vinklas också verktyget relativt till svetsobjektet så att verktygsskuldran surfar på ytan. Vid svetsning mäts och registreras både inmatade parametrar (spindelmotorns rotationshastighet, svetshastighet och svetskraft) och resulterande parametrar (skuldrans djup i svetsgodset, verktygstemperatur, spindelmotorns moment och kraften på verktyget i framförningsriktningen). Figur 4-3. Svetsverktyget. Figur 4-4. Skiss av FSW-processen. 18

Det finns ett klart samband mellan de inmatade och resulterande parametrarna, bland annat så är produkten av spindelmotorns rotationshastighet och moment lika med värmetillförseln och påverkar därmed verktygets temperatur i hög grad. Dessa relativt elementära samband innebär att processen är enkel att tolka, utveckla och kontrollera. Svetsmaskinen som finns på Kapsellaboratoriet har kylning av både lockklamparna som trycker locket mot röret och hållaren för verktyget. Syftet med kylningen är att skydda maskinen mot höga temperaturer och minska förslitningsskador på spindelmotorn och verktygshållaren. En svetscykel kan delas upp i flera sekvenser, som kan ses i figur 4-5. Först borras ett hål 75 mm ovanför foglinjen som det roterande verktyget sedan pressas in i så att kopparen värms upp. När verktygstemperaturen har nått ett specifikt värde accelereras svetshastigheten upp till ett konstant värde som en funktion av verktygstemperaturen. Efter att accelerationssekvensen är avslutad och verktygstemperaturen har nått den så kallade jämviktstemperaturen och är stabil förflyttas verktyget ner till foglinjen. Där sker foglinjesvetsningen och efter ett helt varv förflyttas verktyget upp 75 mm där svetscykeln avslutas och det oundvikliga utgångshålet parkeras. Både accelerationssekvensen och utgångshålet bearbetas sedan bort när locket får sina slutgiltiga dimensioner. Accelerationssekvensen är viktig då den påverkar skäggbildningen och risk för diskontinuiteter under nedgångssekvensen. De övriga sekvenserna, nr 2 5 i figur 4-5, kan sammanföras till den så kallade jämviktssekvensen där alla parametrar håller ett relativt konstant värde. Efter att kapseln är positionerad i maskinen tar det cirka en timme att försluta kapseln inklusive inspänning av kapsel och lock (fem minuter), borrning av starthål (fem minuter) och svetsning (50 minuter). Tidsåtgång för svetsoperationen i inkapslingsanläggningen beräknas vara likvärdig. Erfarenheten från Kapsellaboratoriet är att flera kapslar kan förslutas per dag. 5 Skägg 2 1 3 4 3 Figur 4-5. Sekvenser i svetscykeln: 1) accelerationssekvensen, 2) nedgångssekvensen, 3) foglinjesvetsning, 4) överlappssekvensen och 5) parkeringssekvensen. 19

4.2.2 Svetssystemet I början av 2002 beställdes en svetsmaskin av ESAB AB i Laxå designad för fullskalig svetsning, se figur 4-6. Maskinen är robust utformad och uppfyller industriella krav för svetsning /SKB 2004/. Inför svetsning hissas kapseln upp i svetsmaskinen med hjälp av lastbäraren. När kapseln har positionerats i maskinen spänns den fast med expanderande tryckbackar, se figur 4-7. Totaltrycket uppgår till 3 200 kn fördelat på 12 backar. I nästa skede expanderas lockklamparna, se figur 4-8, och ett tryck på 390 kn pressar ner locket mot kapseln. Ett starthål borras, se figur 4-9, med en separat borrenhet vid sidan av spindeln och svetscykeln startar med att verktyget förs in i hålet, enligt figur 4-10. Under processen roterar svetshuvudet runt kapseln, den maximala vridningsvinkeln uppgår till 425 grader. Figur 4-6. Svetsmaskinen på Kapsellaboratoriet. Figur 4-7. Fastspänning av kopparkapsel. Figur 4-8. Inspänning av lock. 20

Figur 4-9. Borrning av starthålet. Figur 4-10. Verktyg i starthålet. Verktyget är en viktig komponent vid FSW av koppar, se figur 4-3. Verktyget måste tåla en hög processtemperatur liksom de höga laster som det utsätts för under svetsning. En svetscykel tar cirka 50 minuter och svetsen är cirka fyra meter lång. En nickelbaserad superlegering (Nimonic 105) används som material i verktygstappen. Nickelbaslegeringar har goda högtemperaturegenskaper med god nötningsbeständighet och tillräcklig hållfasthet som möjliggör förslutning av kapslar. Verktygsskuldran tillverkas av en volframlegering (Densimet) med lämpliga termiska och mekaniska egenskaper för processen. Verktygstappen byts efter varje förslutningssvets medan skuldran kan återanvändas till flera svetsar. Mjukvaran som övervakar svetsprocessen loggar alla parametrar varje tiondels sekund, det vill säga med en frekvens på 10 Hz. Under svetsförloppet visas utvalda parametrar numeriskt och grafiskt för svetsoperatören. Två videokameror visar också verktyget bakifrån och framifrån. Förutom accelerationssekvensen där svetshastigheten går upp till ett konstant värde som funktion av verktygstemperaturen sker all reglering av svetsprocessen (för närvarande genom ändringar av spindelrotationen och/eller svetskraften) manuellt av svetsoperatören. Som beskrivs i den framtida handlingslinjen i kapitel 8 är utvecklingen av en helautomatiserad svetsprocess en viktig milstolpe innan kvalificering av svetssystem och svetsprocess. Eftersom temperaturen har visat sig vara väldigt viktig för processen görs för närvarande två separata och oberoende mätningar av denna. Sedan installationen av svetssystemet har ett termoelement placerats i verktygstappen som mäter temperaturen under hela svetsförloppet, och det är detta värde som redovisas som verktygstemperaturen i denna rapport. Under hösten 2005 installerades också en infraröd kamera för att mäta temperaturen på verktygsskuldran. Detta har visat sig vara ett utmärkt komplement till termoelementet. 4.3 Elektronstrålesvetsning Elektronstrålesvetsning (Electron Beam Welding, EBW) är en avancerad smältsvetsmetod som bland annat används vid svetsning av komponenter med höga krav på precision och formriktighet eller vid svårsvetsade material. En detaljerad beskrivning av svetssystemet och utförda svetsförsök på Kapsellaboratoriet finns i /Claesson 2003/. 21

4.3.1 Svetsprocessen Principen för metoden är att smältvärme alstras av ett bombardemang av elektroner mot svetsobjektet. Elektronerna smälter svetsobjektets yta och äter sig sedan snabbt in i materialet och bildar ett så kallat nyckelhål. Därefter förflyttas arbetsstycket så att den smälta metallen stelnar bakom elektronstrålen. Den största skillnaden jämfört med andra smältsvetsmetoder är den höga energitätheten i strålen vilket medför att mycket stort inträngningsdjup i förhållande till bredden kan åstadkommas. Svetsningen sker dessutom vanligen i vakuum vilket eliminerar risken för bildandet av oxider i svetsgodset. Svetsmaskinen har cirka 30 olika parameter som kan ställas in. De flesta parametrarna är av typen grundparametrar som inte ändras under svetsningens gång, till exempel centrering av elektronstrålen genom elektronkanonen. Viktiga parametrar som direkt inverkar på svetskvaliteten är programstyrda för att säkerställa god styrning av svetsprocessen. De viktigaste parametrarna är accelerationsspänning, strålström, svetshastighet, fokuseringslinser, strålavlänkning och kammartryck. Svetscykeln för en förslutningssvets bestående av dockning i svetsstation, svetsning och utdockning från svetsstation tar cirka 2,5 timmar på Kapsellaboratoriet. I en skisserad svetsstation för produktion kan tiden ungefär halveras, baserat på att svetskammaren minskas i storlek från 180 till cirka 30 m 3. 4.3.2 Svetssystemet Efter en studie av svetsning i tjock koppar med hjälp av elektronstrålesvetsning vid TWI i England beställde SKB en prototypmaskin av TWI för svetsning i reducerat tryck. Svetsmaskinen var vid leveransen till Kapsellaboratoriet 1997 inte helt färdigutvecklad. Elektronkanonen är konstruerad för användning vid reducerat tryck. Reducerat tryck innebär måttligt krav på vakuum, för närvarande används ett tryck av 10 1 mbar. Vid konventionellt EBW-system används 10 3 mbar eller lägre. Konstruktionen, se figur 4-11, är unik med en indirekt upphettad diodkanon. Elektronstrålen bildas genom att ett filament hettas upp och börjar avge elektroner. Genom att en växelspänning är pålagd mellan filament och katod skapas en primär elektronstråle i riktning mot katoden som hettas upp och börjar emittera elektroner. De emitterade elektronerna accelereras upp till cirka 2/3 av ljushastigheten med hjälp av en hög accelerationsspänning och passerar därefter igenom en hålad anod. Ett system av spolar centrerar och fokuserar elektronstrålen genom elektronkanonen och vidare mot arbetsstycket. Processen övervakas av ett datorsystem utvecklat av TWI. Systemet består av en del som registrerar och lagrar parametrar under svetsning och en del som övervakar och vid behov alarmerar eller nödstoppar systemet. Aktuella parametrar kan följas på en bildskärm under pågående svetsning. Termoelement övervakar eventuella temperaturstegringar i elektronkanonen. Processen kan också följas visuellt på två bildskärmar vid manöverkonsolen via tre kameror som är placerade inne i svetskammaren. För att kontrollera katodens tillstånd utförs mätning av elektronernas intensitet och fördelning i strålen med ett system som kallas beam probing. Ett system för strålavlänkning installerades 2003. Systemet kan fördela och styra elektronerna enligt ett förprogrammerat mönster. Primärt används systemet för att omsmälta svetsytan genom att en mindre del av elektronstrålen omlänkas för efterbehandling av svetsen. 22

Högspänningskabel med enkel ledare Atmosfär Vakuum (~ 0,1 mbar) Högspänningsisolator Kammarvägg RFingång N3 munstycke Katod Anod Pumpanslutningar Nedre fokusspole Elektronstrålens fokuspunkt Kopparkapsel RF-antenn Elektrongenerator Uppriktningsspolar N1 munstycke Övre fokusspole N2 munstycke Värmesköld Nedre uppriktningsspolar Figur 4-11. Utformning av elektronstrålesystemets elektrongenerator. 23

5 Resultat och erfarenheter Detta kapitel sammanfattar resultat och erfarenheter från de svetsförsök som gjorts på Kapsellaboratoriet. För FSW redovisas arbete från april 2003 och för EBW från februari 1999. För att förenkla svetsförsöken och minska mängden förbrukad koppar har de flesta svetsproven utförts på mindre försöksobjekt: Svetsning av lock på kortare rör. Rören kapas och fogbereds efter utförd svetsning för att kunna användas till ytterliggare svetsprov. Svetsning av lock på 20 30 cm höga ringar. Ringarna placeras på ett kortare rör som används som stöd under svetsningen. För att kalibrera EBW-systemet innan svetsning görs regelbundet provsvetsningar på rektangulära kopparblock. Som hjälpmedel vid utvärdering av svetsförsöken har svetsarna först undersökts med oförstörande provning (OFP) i form av ultraljud och röntgen. För kartläggning av svetsgodsets egenskaper har metallografiprov, hållfasthetsprov, krypprov, korrosionsprov, restspänningsmätning och kemiska analyser utförts. 5.1 FSW Efter 52 lock- och bottensvetsar (locksvets innebär med insats och bottensvets innebär utan insats) kan erfarenheter från såväl svetsprocessen som svetssystemet summeras som att dessa är robusta och stabila. Svetsförsöken har visat att repeterbarheten och tillförlitligheten i svetsprocessen är mycket hög. Fortsatt optimering av såväl process som system planeras. Av intresse är att undersöka alternativa verktygsmaterial samt att automatisera svetscykeln och så långt som möjligt eliminera den mänskliga faktorn. Statusen i dag är att det går att svetsa med stor repeterbarhet och tillförlitlighet tack vare det stora processfönstret och den tröghet mot förändringar som den adaptiva processen ger. De 52 lock- och bottensvetsarna innefattar: 3 bottensvetsar och 1 locksvets på fullstora kapslar. 1 bottensvets och 1 locksvets på kortare rör. 18 bottensvetsar och 8 locksvetsar på ringar för utveckling, t ex parameterstudie. 20 locksvetsar på ringar för demonstrationsserie. Undersökning av svetsresultaten visade att svetsförsöken som utförts på kortare rör eller ringar ger samma resultat som svetsning av lock/botten på fullstora kapslar både avseende svetskvalitet, process och system. 25

5.1.1 Svetsprocessen Processen har i svetsförsöken varit mycket stabil och haft en hög repeterbarhet. Detta förklaras av att processen är adaptiv dvs den viktiga processtemperaturen mäts kontinuerligt och processen justeras automatiskt för att hålla temperaturen inom ett givet intervall. Inga störningar eller parameterförändringar vid svetsförsöken på Kapsellaboratoriet har påverkat svetskvaliteten vilket visar att processfönstret är relativt stort. Med processfönster avses det tillåtna intervallet som inmatade parametrar och resulterande parametrar får variera inom utan att svetsresultatet påverkas. I parameterstudien /Öberg 2005/ som genomfördes under 2004 inför seriesvetsningen (se kapitel 6) optimerades processen och ett processfönster fastställdes vid den optimerade svetshastigheten på 74,3 mm/min, se tabell 5-1. Som tabell 5-1 visar är det utprovade tillåtna intervallet för verktygstemperaturen 790 910 C. Detta kan jämföras med svetsdata från locksvetsar. Figur 5-1 visar svetsdata från jämviktssekvensen (sekvens 2 5 i figur 4-5) vid en förslutningssvets, vilket motsvarar en sträcka på 390 grader eller 45 minuter. Verktygstemperaturen varierar mellan 835 och 860 C det vill säga 25 C jämfört med processfönstret på 120 C. Tabell 5-1. Processfönster samt parametrarnas inverkan på processen/svetskvalitén. Parameter Fönster Vid högt värde Vid lågt värde Spindelrotation (varv/min) 350 450 Risk för hög verktygstemperatur Svetskraft (kn) 78 98 Risk för hög verktygstemperatur Risk för diskontinuiteter Verktygstemperatur (ºC) 790 910 Risk för verktygsbrott Risk för diskontinuiteter Skulderdjup (mm) 0,4 1,5 Risk för diskontinuiteter Risk för diskontinuiteter 100 1000 90 900 80 800 70 700 60 600 50 500 40 400 30 X-kraft, kn Svetskraft, kn 300 20 Svetshastighet, mm/min Svetsdjup, mm 200 10 0 Rotationshastighet, varv/min* Spindelmoment, Nm* 100 Verktygstemperatur, grader Celsius* 0 13 43 73 103 133 163 193 223 253 283 313 343 373 403 Figur 5-1. Svetsdata från locksvets. * innebär värde på högra y-axeln. 26

5.1.2 Svetssystemet Svetssystemet på Kapsellaboratoriet har haft nära 100 % tillgänglighet sedan installation, vilket är mycket bra med tanke på att det bygger på ett nytt koncept. Mot bakgrund av detta bedöms de planerade maskinerna i kapselfabriken och inkapslingsanläggningen, vilka bygger på samma konstruktionsprinciper, också kunna uppfylla produktionskraven på minst en svets per dag. Vid svetsförsök före och efter service och underhåll har svetsmaskinen visat sig vara mycket stabil och ingen påverkan på resulterande svetsparametrar eller svetskvalitet har observerats. Efter varje svetsning byts regelmässigt verktyget ut och normala variationer i utförandet av verktyget har inte kunnat kopplas till påverkan på svetsresultatet. Även när det gäller övriga komponenter som bytts ut så fungerar systemet väl efter bytet. Delar som inte är färdigutvecklade med tanke på en produktionssituation är verktyget där man kan öka och fastlägga säkerhetsfaktorn för livslängden, och en automatisering av styrsystemet för att minska den mänskliga faktorn. 5.1.3 Svetsgodsets materialegenskaper Diverse tester har genomförts på locksvetsar utförda vid Kapsellaboratoriet för att bedöma svetsarnas långtidsegenskaper samt för att bedöma hur väl svetsgodset uppfyller ställda kraven på kopparkapseln: Metallografi Svetsgodsets struktur med fokus på kornstorlek har undersökts i ett femtiotal makrosnitt, se figur 5-2. Samtliga makrosnitt har en finkornig rekristalliserad struktur med en kornstorlek på cirka 75 μm /Andersson 2004/. Kornstorleken är i nivå med grundmaterialet eller till och med något finare. Hållfasthetsprovning Dragprovning har utförts på 45 och 20 mm breda plattprovstavar samt på runda provstavar med en diameter på 10 mm /Claesson 2005/. Resultatet visar att svetsar utförda med FSW har liknande hållfasthetsegenskaper som grundmaterialet, brottgräns (206 209 MPa), sträckgräns (68 82 MPa) eller brottförlängning (48 53 %). Provstavarna som varit uttagna ur både överlappssekvensen och foglinjesvetsningen från flera locksvetsar, har gått till brott i den värmepåverkade zonen utanför svetsen. Krypprovning Krypprovning med olika belastning och temperatur visar att svetsgodset har liknande krypegenskaper som grundmaterialet /Andersson 2004/. Alla provstavar har haft över 30 % krypduktilitet och jämn förlängning. Ytterligare krypprovning pågår. Korrosionsprovning Korrosionsprovning har utförts på en locksvets /Gubner 2004/. Provet visar ingen tendens till korngränskorrosion eller spänningskorrosion på grund av restspänningar. 27

Figur 5-2. Tvärsnitt från locksvets som även visar verktygets position. Restspänningsmätning Restspänningsmätning har utförts på en locksvets /Jaensson 2005ab/. De högsta dragrestspänningar som noterats uppgår till 39 MPa dvs väl under sträckgränsen för svetsgodset. Kemiska analyser Kemiska analyser av svetsgodset har utförts på flera locksvetsar /Salonen 2004/. Spår av nickelpartiklar från verktygstappen på upp till 20 ppm samt kopparoxidpartiklar upp till 25 ppm har analyserats. 5.1.4 Observerade diskontinuiteter Både oförstörande och förstörande provning har genomförts för att fullständigt utvärdera integriteten hos lock- och bottensvetsarna. Oförstörande provning (OFP) har utförts med röntgen och ultraljudsprovning före och efter bearbetning. Dessutom har förstörande provning i form av diverse mikroskopstudier och kemisk analys av svetsgodsets sammansättning utförts. De diskontinuiteter som har påvisats finns redovisade i bilaga 1. Som helhet är svetsgodset mycket homogent. Endast en typ av återkommande diskontinuitet har detekterats med OFP i svetsarna. Det är en så kallad foglinjeböjning som uppstår då verktygstappens spets går för djupt och materialflödet flyttar den vertikala foglinjen ut mot ytan. Det är ofta vid överlappssekvensen som tappens spets kommer för djupt. Foglinjeböjningen kan reduceras avsevärt med ett kortare verktyg, vilket har visats i fyra locksvetsar som utfördes efter demonstrationsserien. Även materialflödets riktning kan ändras. Prov utförda med omvänd verktygsrotation (spegelvänd verktygstapp) har visat att denna diskontinuitet kan minimeras. En rimlig uppskattning som nu kan göras är att i en produktion kan foglinjeböjningen begränsas till en radiell utbredning av två millimeter. Förutom foglinjeböjningen har endast en typ av diskontinuitet, inre hålighet, påvisats med OFP dock endast om svetsparametrarna varit utanför processfönstret. Svetsning med svetsparametrar utanför processfönstret har utförts med avsikt att skapa diskontinuiteter som kan undersökas vid utveckling av tekniken för oförstörande provning. 28

Figur 5-3. Temperaturdistribution. Figur 5-4. Termisk expansion. 5.1.5 Forskning Ett arbete /Källgren 2005/ med att modellera, både analytiskt och numeriskt, och karaktärisera FSW i fem centimeter tjock koppar påbörjades 2001 på Kungliga Tekniska Högskolan, KTH. Bland annat har temperaturdistribution, materialflöde och termisk expansion predikterats för en fullskalig förslutningssvets i 2D och 3D och modelleringsresultaten, se figur 5-3 och 5-4, överensstämmer med experimentella temperaturmätningar. 5.2 EBW För utveckling av svetsprocess och svetssystem har 63 lock svetsats och cirka 200 svetsar utförts i testblock. Svetsförsöken har visat att repeterbarheten och tillförlitligheten i svetscykeln är hög och att parameterfönstret är brett. En annan slutsats är att svetssystemet behöver fortsatt utveckling mot ökad robusthet för att nå produktionsstatus. De 63 locksvetsarna är fördelade enligt: 1 förslutningssvets på fullstor komplett kapsel. 3 förslutningssvetsar på avkortade rör med insats. 3 svetsningar av lock på ringar för parameterstudier. 36 svetsningar av lock på avkortade rör alternativt ringar för utveckling av svetsprocess och svetssystem. 20 svetsningar av lock på ringar för demonstration av seriesvetsning. 5.2.1 Svetsprocessen Parameterstudierna visar att processen är robust inom det provade toleransområdet och att lämpligt processfönster kan definieras. Fullskaleprovet visar ingen skillnad i kvalitet eller penetration jämfört med svetsning i korta rör utan insats. Serieprovet som utförts med samma parameterinställning visar att svetsprocessen är stabil och ger likformigt svetsresultat. Ett byte av katod under seriens gång har inneburit en viss förändring av svetsroten. 29

Katoderna som för närvarande tillverkas manuellt har ojämn kvalitet vilket påverkar svetsningen. 5.2.2 Svetssystemet Att svetssystemet inte var färdigutvecklat vid leveransen har avspeglat sig i både problem med bristande tillförlitlighet och avsaknad av viktiga funktioner. Systemet har utvecklats och förbättrats till ett för närvarande fungerande svetssystem och efter installation av ett system för strålavlänkning 2003 har svetskvaliteten avsevärt förbättrats. Tillförlitligheten har också förbättrats men ytterligare behov av utveckling finns för att uppnå den robusthet som krävs av ett svetssystem avsett för produktion. Några viktiga iakttagelser under utvecklingsarbetet: Nuvarande system är en prototyp och uppfyller inte kraven för ett produktionssystem. Ytterligare utveckling av elektronkanon krävs där komponenterna katod och system för strålgenomgång ännu inte är färdigutvecklade. Oacceptabelt långa tidsrymder har åtgått för reparationer och modifieringar av systemet. System för att rikta elektronstrålen mot den dolda foglinjen krävs för säker svetsning i produktion. 5.2.3 Svetsgodsets materialegenskaper Diverse tester har genomförts på locksvetsar utförda på Kapsellaboratoriet: Metallografi Samtliga locksvetsars metallografi har undersökts i makrosnitt på Kapsellaboratoriet, se figur 5-5. Två locksvetsar har undersökts med fokus på struktur och kornstorlek /Håkansson 2004/. Undersökningen visar att svetsgodsets har normal stelningsstruktur med typiska pelarkorn vid smältgränsen. Kornstorleken ligger i intervallet 353 639 µm med medelvärde 535 µm. Hårdheten i svetsgods och grundmaterial har uppmätts i en locksvets med resultatet 45HV i svetsgodset, 50HV i locket och 67HV i röret. Hållfasthetsprovning Dragprovning har utförts på två tidiga locksvetsar samt från fyra locksvetsar ur svetsserien. Två olika typer av provstavar har använts, platta provstavar med en bredd på 20 mm och runda provstavar med en diameter på 10 mm /Claesson 2005/. Resultatet visar att svetsar utförda med EBW har något lägre hållfasthetsegenskaper jämfört med grundmaterialet, brottgräns (179 187 MPa), sträckgräns (47 66 MPa) eller brottförlängning (29 33 %). Provstavarna som varit uttagna ur både överlappsområdet och enkelsvetsområdet har gått till brott i svetsgodset. 30

Krypprovning Krypprov /Andersson 2004/ har utförts på en tidig locksvets, vilken inte är representativ för nuvarande svetsteknik. Locksvetsningen har utförts med flera svetsvarv vilket medfört att kornstorleken i svetsgodset blivit mycket stor, cirka 2 000 µm jämfört med 535 µm som är medelvärdet med dagens teknik som utförs i ett varv. Trots att den stora kornstorleken verkar nedsättande på kryphållfastheten är marginalen mot sprickbildning mycket god. Krypduktiliteten i svetsgods är mätt till 20 30 %. Korrosionsprovning Korrosionsprov /Gubner 2004/ har utförts på fyra tidigt utförda locksvetsar. Proven visar att det är högst osannolikt att korngränskorrosion är ett problem för den långsiktiga säkerheten i slutförvaret. Restspänningsmätning Mätning av restspänningar har utförts /Jaensson 2005ab/ på en locksvets. De högsta dragrestspänningar som noterats uppgår till 33 MPa dvs väl under sträckgränsen för svetsgodset. Kemiska analyser Kemiska analyser av svetsgodsets sammansättning har utförts på flera locksvetsar /Håkansson 2004/. Den kemiska sammansättningen av svetsgodset är jämförbar med lock och rör. Förekomsten av oxid har även undersökts med hjälp av ett väteförsprödningstest på en locksvets /Salonen 2004/ som visade att svetsgodset inte innehåller oxid. Figur 5-5. Tvärsnitt från locksvets. 31

5.2.4 Observerade diskontinuiteter Under utvecklingsarbetet med svetsprocessen och svetsmaskinen har ett antal olika typer av diskontinuiteter förekommit främst i form av inre håligheter, rotfel och små porer. Efter utveckling av system och process är numera svetsgodsets kvalitet generellt mycket god och vanligen indikeras endast mindre diskontinuiteter. Om maskinproblem uppstår under pågående svetsning kan lokalt större diskontinuiteter bildas i form av håligheter i svetsgodset. 5.2.5 Fortsatt utveckling För EBW kommer utvecklingsarbetet att fokuseras på att processen och systemet ska uppnå den tillförlitlighet och tillgänglighet som krävs i produktion. Prototypsystemets svagheter är uppmärksammade, dokumenterade och delvis åtgärdade. Det som återstår är vissa utvecklingsarbeten och förbättringar på svetssystemet, följt av förnyade provningar samt en del arbete med utveckling av processen. Arbetet som beräknas pågå under perioden 2006 2008 kan i korthet beskrivas enligt följande: Metod för precisionstillverkning av katoder kommer att utvecklas i samarbete med TWI för att åstadkomma en säker strålgenomgång och ett svetsgods utan rotfel. Droppkanten kommer att förstärkas för att säkrare hindra svetssmältan från att rinna ut från fogen. I första hand ska droppkanten bearbetas fram från befintligt lockämne. Strålmönstret ska optimeras mot mindre mängd svetssprut för att undvika driftstörningar och minska mängden kopparpartiklar i svetskammaren. Start och överlappssekvenserna ska utvecklas för att minska risken för diskontinuiteter i överlappningsområdet. Förslag på uppgradering av datorer för enklare styrning av processen och tätare loggning av parametrarna kommer att tas fram. Teknik för reparation av oacceptabla diskontinuiteter i svetsen genom lokal omsmältning av svetsgodset kommer att utvecklas. En sådan reparationsteknik är synnerligen gynnsam och kostnadseffektiv jämfört med att skära loss locket, kassera kopparkapseln, ladda om en ny kapsel och svetsa på ett nytt lock. Teknik för automatisk inställning av strålläget i position för svetsning kommer att studeras. Efter avslutat utvecklingsarbete planeras någon form av svetsserie för att demonstrera att processen och systemet uppnått den tillförlitlighet och tillgänglighet som krävs i produktion. 32